新疆棉花物候期对气候变化的响应及敏感性分析

郭燕云，王雪姣，王 森，火勋国，胡启瑞，吉春容

（新疆兴农网信息中心/新疆维吾尔自治区农业气象台，乌鲁木齐 830002）

0 引言

新疆棉花在中国棉花产业中占据主导地位[1-2]，已成为国民经济和社会发展的支柱产业，棉花占新疆农作物种植面积的45%～50%，植棉收益占棉农总收入的60%～65%[3]。然而，气候变暖已成为不争的事实[4]，且西北地区增温趋势高于全国平均水平[5]。随着气候变暖，新疆农业热量资源增加、无霜期延长，同时极端天气事件增加使得年际间热量条件变化大，棉花对气候变化特别是温度变化非常敏感[6-7]，研究表明气候变化对新疆棉花的生长发育各阶段均产生了一定的影响[8-9]，并将增加棉花稳产、优质高产的风险，因此探讨气候变化对棉花生产的影响意义重大。

物候是气候变化的感应器[10]，物候对全球变暖的响应研究已成为一个较新的热点领域[11]，并且对于应用模型、遥感[12-13]等手段开展气候变化影响评估非常重要。作物物候在一定程度上受人为因素的影响，但是长时间序列的物候变化能够反映作物生长发育对该时期内气候变化的响应[14]。中国学者主要在中国大陆[15]、东部地区[16]、华北地区[17]、黄土高原[18]、青藏高原[19]、内蒙古[20]、新疆[21]等地区进行了植被物候研究，研究结果主要表现为：气候变暖背景下春季物候期提前、秋季物候期推迟、植物生长季延长，但区域差异较大，同时温度是驱动植被物候变化的重要影响因素。

然而，已有的大多是有关自然植被的物候变化研究，对于作物物候的研究较少，且主要是运用作物模型、气候变化情景等[22]手段评估气候变化对作物物候期的影响，而对于实际观测到的作物物候变化研究较少，目前关于大田作物物候的研究较多是关于小麦等粮食作物[23]，有关棉花物候期的研究鲜有报道。因此，本研究基于新疆棉花气象观测代表站1980—2019年棉花物候期观测资料，分析近40年新疆各棉区棉花物候期的变化特征，并运用COSIM棉花模型，维持当前生产管理水平、土壤肥力、种植品种以及播种期不变的情况下，分析新疆棉花物候期对气候变化的响应。通过新疆棉花物候期对气候变化的响应及敏感性分析研究，可以更加客观地理解气候变暖对该地区棉花生产的影响，为新疆棉花生产趋利避害、优质高产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及数据来源

新疆(34°15′—49°10′N，73°20′—96°25′E)地处亚欧大陆的腹地，典型的温带大陆性气候；该区光照充足，年日照时数2500～3500 h；热量资源丰富，平原地区大部≥10℃积温在3800℃·d以上、无霜期180天以上[24]。充沛的光热、土地资源以及稳定的灌溉资源，为新疆棉花的种植创造了优渥的生态环境[25]。

天山位于新疆中部，在地理习惯上，天山以北为北疆，以南为南疆，哈密、吐鲁番盆地为东疆。北疆、南疆、东疆均有棉花种植，北疆植棉区主要在北疆沿天山一带以及伊犁州等地[26]，南疆主要在环塔里木河流域[27]，东疆的吐鲁番盆地和哈密地区均有棉花种植。

本研究选取10个具有详细物候观测资料的棉花气象观测站作为研究站点（表1）。物候观测资料为棉花的播种、出苗、现蕾、开花、吐絮和停止生长日期，由于建站时间或者品种更替、耕作方式等因素，各站物候期资料时间长度不尽相同（起始年份为1980—1991年，终止年份均为2019年）。气象数据为各代表站点1961—2019年的逐日气象要素，包括日最高、最低气温、降水量和日照时数。数据资料来源于新疆气象信息中心。

表1 研究区代表站点信息

1.2 研究方法

1.2.1 有效积温计算 作物的生长发育和产量形成与热量条件密切相关。高于或等于生物学下限温度的日平均温度称为活动温度，活动温度与生物学下限温度的差值称为有效温度，生育期内有效温度的总和称为有效积温[28]，见公式(1)。

其中，TTe为有效积温(℃·d)；Ti为第i天的日平均气温(℃)，为日最高温和日最低温的平均值；t为作物的生物学下限温度，通常认为12℃为棉花生长的下限温度[29]，因此本研究取12℃。

1.2.2 气候倾向率 本研究采用最小二乘法计算要素Yi与时间xi的线性回归系数，要素随时间的变化可用一次方程表示，见公式(2)。

其中，i=1，2，……n年，10×a作为要素的气候倾向率；气候倾向率为正值表示要素随时间推移而增加，气候倾向率为负值表示要素随时间推移而减小；气候倾向率值的大小表示要素随时间推移变化的速率[30]。

1.2.3 模型模拟结果评价指标 本研究采用国际通用方法对作物模型模拟结果进行检验，即均方根误差(Root Mean Square Error，RMSE)来判断模拟值与实测值间的吻合程度，见公式(3)。

式中，Xobs、Xsim分别指观测值与模拟值，N为样本数量。均方根误差(RMSE)反映模拟值相对实测值的绝对误差。

1.3 作物模型

COSIM模型是在COTGROW棉花模型[31]的基础上构建的棉花生产区域评估系统[32]。该模型以≥12℃有效积温计算棉花发育速率，根据植株对太阳辐射的截获量及利用效率计算植株干物质质量，并依据分配系数计算地上部各器官干物质质量，可逐日动态模拟棉花生长发育及产量形成过程。模型包括发育期模拟、光合生产、干物质分配、水分平衡、叶面积动态、产量形成等模块，以模拟地点基础地理信息、逐日气象资料、土壤参数、管理参数及品种信息为模型输入，模拟输出各发育期出现时间、地上部各器官干物质质量、单位面积皮棉产量等。该模型已在新疆地区棉花生长发育[5]、产量预报[33]、气候风险评估[34]以及棉花延迟型冷害[35-36]等方面得到验证和应用，效果较好。

2 结果与分析

2.1 近40年新疆棉花物候变化特征

从代表站点1980—2019年棉花各发育期变化趋势可以看出（表2），近40年，阿克陶、鄯善的棉花播种期推迟，其余各代表站点均提前，变化幅度为0.6～7.0 d/10a，其中乌苏、石河子、哈密、库尔勒、喀什显著提前；出苗期的变化趋势与播种期基本一致；绝大部分站点棉花的现蕾和开花期提前、而吐絮和停止生长期推迟，停止生长期的推迟趋势最为明显，变化幅度为1.3～9.6 d/10a，其中精河、石河子、鄯善、阿克苏、阿克陶、和田停止生长期显著推迟。各区域平均来看：北疆的棉花吐絮期略有推迟，其余各物候期提前0.1～4.8 d/10a；东疆的棉花停止生长期推迟1.4 d/10a，其余各物候期提前0.1～1.6 d/10a；南疆的棉花吐絮期和停止生长期分别推迟1.7 d/10a和4.2 d/10a，其余各物候期提前0.7～1.8 d/10a。

表2 1980—2019年代表站点各物候期出现日期的气候倾向率

随着各物候期的变化，棉花不同生长发育阶段所经历的时间长度也发生了相应变化，表3为1980—2019年各代表站点播种-出苗、出苗-现蕾（营养生长阶段）、现蕾-开花、开花-吐絮、现蕾-吐絮（生殖生长阶段）及全生育期（播种-停长）经历天数的气候倾向率。北疆地区所有生育阶段均呈延长趋势；南疆地区除了播种-出苗生长发育时间略有缩短外，其余所有生育阶段均呈延长趋势；东疆地区播种-出苗、现蕾-开花、现蕾-吐絮生长发育时间略有缩短，其余生育阶段呈延长趋势。近40年来，所有代表站点棉花全生育期均延长，变化幅度为1.6～9.0 d/10a，其中精河、石河子、库尔勒、阿克苏、阿克陶、喀什、和田棉花全生育期显著延长，南疆、东疆、北疆分别延长5.0 d/10a、1.9 d/10a和4.8 d/10a。南疆地区生殖生长(3.1 d/10a)延长天数多于营养生长(0.4 d/10a)，有利于光合产物的积累及产量的提高；东疆地区出苗-现蕾(0.8 d/10a)所需天数增加、现蕾-吐絮(0.4 d/10a)所需天数缩短；北疆地区营养生长、生殖生长分别延长2.4 d/10a和2.2 d/10a。

表3 1980—2019年代表站点各物候期经历天数的气候倾向率

表4为1980—2019年各代表站点各生育阶段及全生育期所需积温的气候倾向率。除了北疆地区的播种-出苗阶段、东疆地区的现蕾-开花阶段所需积温略有减少外，各地区其余生育阶段所需积温均呈增加趋势。各生育期所需积温与各生育期所经历的天数变化趋势基本一致，即各生育期经历天数增加、所需积温也增加。近40年来，所有代表站点棉花全生育期所需积温极显著增加，变化幅度为57.8～157.5℃·d/10a，南疆、东疆、北疆棉花全生育期所需积温分别增加105.3 ℃·d/10a、102.8 ℃·d/10a和85.5 ℃·d/10a。各地区棉花营养生长阶段（变化幅度为17.7～19.9℃·d/10a）所需积温增加幅度小于生殖生长阶段（变化幅度为46.8～80.2 ℃·d/10a），有利于棉花产量的提高。

表4 1980—2019年代表站点各物候期积温的气候倾向率

2.2 模型适应性分析

选择石河子、哈密、阿克苏分别作为北疆、东疆及南疆的代表站点，运用COSIM模型评估气候变化对新疆棉花物候的影响，并分析棉花物候对气候变暖响应的敏感性。利用各站点2009—2017年的棉花实际物候期资料与模型的模拟结果进行比较（图1），来验证COSIM模型在新疆地区的适用性。由图2可知，棉花各物候期的模拟值与观测值拟合较好，出苗、现蕾、开花、吐絮期日序的观测值与模拟值的RMSE和R2分别为2.9天、4.2天、3.3天、4.3天和0.90、0.70、0.63、0.74。因此，该模型对石河子、哈密和阿克苏棉花物候期的模拟与实际情况相吻合，模型可以较准确的模拟新疆棉花生长发育。

图1 新疆棉区棉花物候期观测值与模拟值的比较

图2 1961—2019年气候变化对棉花物候期的影响

2.3 新疆棉花物候期对气候变化响应的敏感性分析

2.3.1 1961—2019年（近58年）气候变化对棉花物候期的影响 已有的研究表明，自1961年以来，新疆大部地区的年平均气温波动上升，并在20世纪90年代出现突变点[5]，因此在分析近58年气候变化对新疆棉花物候的影响时，以1990年为界将1961—2019年分为两个阶段：1961—1990年和1991—2019年，分析突变前后气候条件对棉花物候期的影响。保持当前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品种和生产力水平不变，播种期均设置为4月25日，在当前气候背景下，运用COSIM模型模拟1961—2019年气候变化对北疆（石河子）、东疆（哈密）、南疆（阿克苏）棉花物候期的影响。结果表明（图2），与1961—1990年相比，各站点1991—2019年出苗、现蕾、开花和吐絮期时间均显著提前，棉花生育期（出苗-吐絮）缩短。其中，各代表站点出苗期均提前1天，北疆、东疆、南疆棉花现蕾、开花和吐絮期分别提前5、6、10天和3、4、6天及5、9、7天。总体来看，气候变暖对东疆地区棉花物候期的影响程度小于北疆和南疆地区。由于播种期等环境因子及品种参数相同，各物候期提前说明气候变化加速了棉花生长进程，其中北疆地区营养生长阶段（出苗-现蕾）缩短程度小于生殖生长阶段（现蕾-吐絮），而东疆和南疆地区结果则与北疆地区相反。与1961—1990年相比，新疆棉区1991—2019年棉花营养生长阶段、生殖生长阶段分别缩短3～4天、2～5天。

2.3.2 模拟增温对棉花物候期的影响 保持当前管理措施（高密度覆地膜）、主栽品种和生产力水平不变，播种期均设置为4月25日，在1981—2010年（基准年（BS））的气温基础上，温度分别升高0.5℃、1℃、1.5℃、2℃（图中分别用T1、T2、T3、T4表示），不采取任何适应措施，运用COSIM模型模拟增温对棉花物候期的影响。结果表明（图3），气候变暖对棉花物候期有显著影响，与基准年比较，各站点棉花出苗、现蕾、开花和吐絮期均显著提前，同时随初霜期的推迟，棉花停止生长时间推迟、全生育期延长。增温0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆（石河子）、东疆（哈密）、南疆（阿克苏）出苗、现蕾、开花和吐絮期分别提前1～2天、1～9天、2～12天、10～31天和0～2天、4～8天、5～10天、12～26天及1～2天、1～8天、1～11天、3～25天。

图3 模拟增温对棉花物候期的影响

从模拟结果来看，气候变暖对各棉区生殖生长阶段影响明显大于棉花营养生长阶段。与基准年相比，增温0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，北疆棉区营养生长阶段（出苗-现蕾）、生殖生长阶段（现蕾-吐絮）分别缩短4～7天、9～22天；东疆棉区营养生长阶段、生殖生长阶段分别缩短3～7天、8～19天；南疆棉区营养生长阶段、生殖生长阶段分别缩短0～6天、2～17天。总体来看，增温对新疆各棉区营养生长阶段影响差别不大，但是对于生殖生长的影响程度北疆最大，东疆其次，南疆最小。

3 讨论

关于棉花物候期的研究主要集中在国内主要棉区，黄河流域河北省棉花除收获期推迟，其他物候期均提前[37]；长江流域湖北省棉花播种和收获期推迟[38]；而新疆棉区棉花物候期的变化特征表现为：棉花播种、出苗、现蕾和开花期提前，吐絮和停止生长期推迟，全生育期延长；河北省棉花各生育阶段表现为开花之前缩短、开花之后延长、全生育期延长；而湖北省各生育阶段长短有升高有降低、全生育期延长；而新疆棉区棉花各生育阶段经历天数增加、全生育期天数增加、所需积温也增加，各棉区棉花生殖生长阶段所需积温增加幅度大于营养生长阶段，有利于棉花产量的提高；主要原因是国内各主要棉区的气候变化规律有差异，湖北省棉花播种期平均气温和≥0℃积温呈下降趋势，因此播种期推迟；而新疆、河北省棉花播种期温度升高，故播种期提前；新疆与其他主要棉区各生育阶段长短的变化规律不尽一致，原因是品种更替、管理措施改变以及气候变化等共同作用导致的物候变化，因此本研究的创新点在于利用作物模型，维持当前生产管理水平、土壤肥力、种植品种以及播种期不变的情况下，定量分析气候条件对棉花物候的改变。

不同作物物候对气候变化的响应不同，前人研究表明：气候变暖总体上使中国粮食主产区小麦、玉米、水稻等作物春季适宜播期提前、秋季适宜播期推迟、传统作物品种物候期普遍缩短[39]。而棉花具有无限生长习性，适度增温可延长其生长期，这可能是造成棉花与其他作物物候期变化差异的主要原因。

本研究关注气候因素变化对棉花物候的影响，由于新疆光照充足、灌溉植棉，影响棉花生长发育的最主要气象因子是温度，因此只分析了热量资源的影响。气候变化通过改变作物物候来改变作物的生长过程，最终对产量造成影响，本研究仅探讨了温度改变后的棉花物候变化趋势，但没有深入研究温度对产量的影响，今后的研究工作中可深入探讨气候因子的变化对产量带来的影响及影响程度，为棉花生产提供科学依据。

4 结论

本研究分析了新疆棉花近40年物候期的变化特征，并结合COSIM棉花模型模拟棉花物候对气候变化以及不同程度增温的响应，得出以下主要结论：

近40年，新疆绝大部分棉区棉花播种、出苗、现蕾和开花期提前，吐絮和停止生长期推迟，全生育期延长、平均为3.9 d/10a；绝大部棉区各生育阶段经历天数和所需积温增加，生殖生长阶段所需积温增幅大于营养生长阶段。

模型模拟气候变化背景下的棉花物候变化趋势结果与实际趋势较一致，过去58年气候变暖总体上对北疆和南疆地区棉花物候期的影响程度大于东疆地区；与基准年相比，增温0.5℃、1℃、1.5℃、2℃情景下，新疆各棉区棉花出苗、现蕾、开花和吐絮分别提前0～2天、1～9天、2～12天和3～31天，营养生长、生殖生长阶段分别缩短0～6天、2～22天；增温对各棉区营养生长阶段影响差别不大，但是对于生殖生长的影响程度北疆最大、东疆其次、南疆最小。

在未来气候变暖的趋势下，为了获得更高的产量，东疆地区可以考虑种植早熟性品种中生育期较长的品种，南疆和北疆地区可考虑早中熟品种中生育期较长的品种。